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半導(dǎo)體常年被外國(guó)限制!國(guó)產(chǎn)替代任重道遠(yuǎn)!

東京電子2020年設(shè)備銷售額為103.7億美元,排名第三。東京電子涂膠顯影設(shè)備市場(chǎng)份額占全球比例高達(dá)91%,其中EUV涂膠顯影機(jī)更是獨(dú)占全部市場(chǎng)份額,蝕刻機(jī)占全球比例為25%,沉積設(shè)備37%,清洗設(shè)備27%。2020年至2022年,東京電子計(jì)劃投入4000億日元研發(fā)經(jīng)費(fèi),重點(diǎn)投入在選擇性沉積、智能蝕刻、超臨界流體清洗等技術(shù)方向。

泛林半導(dǎo)體2020年?duì)I收為100.5億美元,排名第四。泛林是全球蝕刻設(shè)備龍頭,其中存儲(chǔ)器制造業(yè)務(wù)占比57%,邏輯工藝占比43%,是前五大設(shè)備廠商中,唯一存儲(chǔ)器業(yè)務(wù)占比超五成的公司。如前所述,泛林和阿斯麥與imec在開發(fā)EUV干式光刻膠技術(shù)。

科磊半導(dǎo)體2020年?duì)I收為58.1億美元,排名第五?评谑侨蚓A檢測(cè)設(shè)備龍頭,市場(chǎng)份額約占五成以上。科磊在應(yīng)力變形量測(cè)、多光束檢測(cè),也投入力量開發(fā)小于5納米結(jié)構(gòu)的電子束缺陷量測(cè)技術(shù)。

資料來(lái)源:臺(tái)灣工業(yè)技術(shù)研究院

根據(jù)臺(tái)灣工研院的估計(jì),全球關(guān)鍵半導(dǎo)體設(shè)備在今后幾年成長(zhǎng)勢(shì)頭都非常好,除了DUV(深紫外)光刻設(shè)備,其余設(shè)備均呈正增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。其中ALD(原子層沉積)增長(zhǎng)率最高,預(yù)計(jì)2020年至2025年期間,年均增長(zhǎng)率達(dá)到26.3%,EUV設(shè)備增長(zhǎng)率排名第二,年均增長(zhǎng)率也達(dá)兩位數(shù)。而以金額計(jì)EUV設(shè)備則獨(dú)占鰲頭,預(yù)計(jì)2025年EUV設(shè)備銷售額達(dá)到125.5億美元,超過(guò)蝕刻機(jī),成為各細(xì)分方向銷售額最高的半導(dǎo)體設(shè)備。

資料來(lái)源:臺(tái)灣工業(yè)技術(shù)研究院

中國(guó)設(shè)備廠商任重道遠(yuǎn)

與國(guó)際廠商相比,無(wú)論是銷售規(guī)模上,還是技術(shù)上,中國(guó)設(shè)備廠商差距都很大。根據(jù)電子專用設(shè)備工業(yè)協(xié)會(huì)數(shù)據(jù),2019年國(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體設(shè)備銷售額為161.82億元,只有前五大守門的科磊2019年收入(46億美元)的一半左右,該協(xié)會(huì)在2020年10月估算,2020年國(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體設(shè)備銷售額總計(jì)可達(dá)213億元,與科磊(58億美元)相比,仍不足其60%。

國(guó)內(nèi)外主要半導(dǎo)體設(shè)備公司對(duì)比(截至2021年1月6日)

資料來(lái)源:德邦證券

技術(shù)上,我國(guó)半導(dǎo)體設(shè)備基本還未參與到先進(jìn)制程(3納米及以下)研發(fā)階段中,目前也尚不能支持28納米這樣的準(zhǔn)主流工藝實(shí)現(xiàn)全國(guó)產(chǎn)化,大部分國(guó)產(chǎn)設(shè)備廠商現(xiàn)在能商用的產(chǎn)品還是以成熟工藝產(chǎn)線為主。以社會(huì)關(guān)注度較高的光刻機(jī)為例,國(guó)內(nèi)主要是上海微電子裝備有限公司(簡(jiǎn)稱“上海微電子”),上海微電子主流產(chǎn)品還只能滿足90納米、110納米等制程的光刻工藝要求。

但也有部分領(lǐng)域已經(jīng)參與到先進(jìn)工藝競(jìng)賽中。比如中微半導(dǎo)體在CCP刻蝕領(lǐng)域已經(jīng)獲得臺(tái)積電認(rèn)可,進(jìn)入其7納米/5納米產(chǎn)線;北方華創(chuàng),則在ICP刻蝕設(shè)備上較為出色,28納米級(jí)以上刻蝕設(shè)備已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,在先進(jìn)制程方面,硅刻蝕設(shè)備已經(jīng)突破14納米技術(shù),進(jìn)入上海集成電路研發(fā)中心。

根據(jù)《中國(guó)制造2025》目標(biāo),2020年半導(dǎo)體核心基礎(chǔ)零部件、關(guān)鍵基礎(chǔ)材料應(yīng)實(shí)現(xiàn)40%的自主率,2025年要達(dá)到70%國(guó)產(chǎn)化率。但根據(jù)長(zhǎng)江存儲(chǔ)、華力微電子等國(guó)內(nèi)十家晶圓制造企業(yè)2017年至2021年一季度的公開招標(biāo)信息來(lái)看,國(guó)產(chǎn)化率距離目標(biāo)還很遠(yuǎn)。2017至2019年,這十家廠商合計(jì)開標(biāo)4197臺(tái)設(shè)備,其中國(guó)產(chǎn)設(shè)備為431臺(tái),國(guó)產(chǎn)化率約為10.3%;而2020年至2021年一季度這十家晶圓廠合計(jì)開標(biāo)1862臺(tái)設(shè)備,其中國(guó)產(chǎn)設(shè)備達(dá)315臺(tái),推算目前國(guó)產(chǎn)化率在17%,較2017至2019年增長(zhǎng)超過(guò)6個(gè)百分點(diǎn)。

左:2017-2019年十大晶圓廠設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率

右:2020-2021年一季度十大晶圓廠設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率

資料來(lái)源:德邦證券

但國(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體設(shè)備在過(guò)去幾年也呈現(xiàn)出非常積極的變化。在技術(shù)上,以中微半導(dǎo)體、北方華創(chuàng)和屹唐半導(dǎo)體等為首的企業(yè)在刻蝕、沉積、干法去膠、清洗、離子注入等領(lǐng)域已經(jīng)接近國(guó)際一流廠商。在市占率上,部分產(chǎn)品市占率已經(jīng)超過(guò)20%,對(duì)國(guó)際半導(dǎo)體設(shè)備廠商市場(chǎng)地位發(fā)起了有力沖擊。

在十大晶圓廠公布的招標(biāo)信息中可以看出,2017年至2021年一季度,干法去膠設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率達(dá)到45.5%,而清洗設(shè)備(30.6%)、刻蝕設(shè)備(22.2%)、拋光設(shè)備(21.6%)國(guó)產(chǎn)化率均高于20%,爐管設(shè)備(14.7%)和涂膠顯影設(shè)備(10.0%)均高于10%,沉積設(shè)備(8.5%)和前道檢測(cè)設(shè)備(5.2%)國(guó)產(chǎn)化率就比較低了,僅在5%至10%之間,差距最大的是離子注入機(jī)(2.4%)、后道測(cè)試設(shè)備(1.9%)和光刻機(jī)(1.6%)。

而進(jìn)入2020年以后,國(guó)產(chǎn)化率提升更快。從十大晶圓廠開標(biāo)數(shù)據(jù)來(lái)看,在2020至2021一季度,拋光設(shè)備、刻蝕設(shè)備、爐管設(shè)備和涂膠顯影設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化率均比2017至2019階段國(guó)產(chǎn)化率增長(zhǎng)超過(guò)兩位數(shù)。

從全球半導(dǎo)體設(shè)備業(yè)發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看,隨著半導(dǎo)體工藝接近物理極限,開發(fā)新一代設(shè)備越來(lái)越難。以EUV光刻機(jī)為例,早在上世紀(jì)九十年代就立項(xiàng),全球四十多個(gè)國(guó)家近200個(gè)研究機(jī)構(gòu)(歐洲貢獻(xiàn)了100多個(gè))參與其中,從基礎(chǔ)研究、技術(shù)攻關(guān)到系統(tǒng)集成,整個(gè)研發(fā)系統(tǒng)投入超過(guò)千億人民幣,超過(guò)我國(guó)過(guò)去十年設(shè)備業(yè)總收入。

中微半導(dǎo)體董事長(zhǎng)尹志堯在接受媒體采訪時(shí)也表示,半導(dǎo)體已經(jīng)進(jìn)入原子級(jí)加工水平,在這個(gè)精度上進(jìn)行半導(dǎo)體器件制造,需要集合50多個(gè)學(xué)科的知識(shí)與技術(shù)。他指出,等離子體刻蝕已刻出人頭發(fā)絲直徑幾千分之一到上萬(wàn)分之一的細(xì)孔,孔直徑的準(zhǔn)確度、均勻性和重復(fù)性已可達(dá)到頭發(fā)絲的幾萬(wàn)到十萬(wàn)分之一。一臺(tái)刻蝕機(jī)每年加工超過(guò)百萬(wàn)萬(wàn)億個(gè)又細(xì)又深的接觸孔,幾乎百分之百的孔要被完全打開。

半導(dǎo)體設(shè)備不僅要能實(shí)現(xiàn)非常精細(xì)的加工,最重要的是均勻性、穩(wěn)定性、重復(fù)性、可靠性和潔凈性。只要做到這些,才能滿足芯片合格率這個(gè)晶圓制造的核心訴求。要保證可以接受的合格率(例如90%),就要求每個(gè)加工制造環(huán)節(jié)都有極高的合格率,因?yàn)槟壳跋冗M(jìn)制程芯片需要1000個(gè)工藝步驟,如果每一步合格率為99.9%,則1000個(gè)步驟后最終合格率只有36.77%。

而作為現(xiàn)代智能制造的代表,全球信息化產(chǎn)業(yè)的底層支撐,芯片制造很少給新設(shè)備廠商試錯(cuò)機(jī)會(huì)。歷經(jīng)千辛萬(wàn)苦開發(fā)出樣機(jī)只完成了開發(fā)生產(chǎn)設(shè)備的一小部分,要說(shuō)服晶圓制造廠商冒著合格率與產(chǎn)能下降的風(fēng)險(xiǎn)幫忙試車才是更難的部分,尹志堯表示,樣機(jī)做出來(lái),客戶愿意配合,還要通過(guò)至少80多個(gè)嚴(yán)苛測(cè)試項(xiàng)目,才能最終達(dá)到晶圓廠的要求。

從國(guó)際廠商發(fā)展歷史經(jīng)驗(yàn)來(lái)看,設(shè)備業(yè)要站穩(wěn)市場(chǎng),來(lái)不得半點(diǎn)冒進(jìn),一定要做好長(zhǎng)期研發(fā)投入,夯實(shí)技術(shù)基礎(chǔ)。如尹志堯說(shuō),半導(dǎo)體設(shè)備需要50個(gè)學(xué)科協(xié)同,難度不亞于兩彈一星!鞍雽(dǎo)體工業(yè)關(guān)鍵核心零部件之一的磁懸浮分子泵,在國(guó)際上只有兩三家能做,每一件事情都需要長(zhǎng)期的技術(shù)積累!

得益于全球化,半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)才發(fā)展到如今的規(guī)模,但自特朗普政府上臺(tái)之后,美國(guó)以半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)為武器,對(duì)中國(guó)發(fā)動(dòng)科技戰(zhàn),已經(jīng)嚴(yán)重影響了全球電子信息產(chǎn)業(yè)之前建立的供應(yīng)鏈互信機(jī)制。作為全球最重要的電子信息產(chǎn)業(yè)制造基地,打造不受地緣政治影響的新型半導(dǎo)體供應(yīng)鏈至關(guān)重要,而每當(dāng)一項(xiàng)技術(shù)真正實(shí)現(xiàn)真正的市場(chǎng)突破(例如市占率達(dá)到20%),《瓦森納協(xié)定》中的對(duì)應(yīng)限制項(xiàng)目也就失去了意義。當(dāng)前,設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率能否有效提升,已經(jīng)成為全球電子信息產(chǎn)業(yè)能否良性發(fā)展的關(guān)鍵因素。中國(guó)在晶圓制造上的快速擴(kuò)張,為國(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體設(shè)備廠商提供了廣闊的市場(chǎng)空間與試錯(cuò)機(jī)會(huì),對(duì)國(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體設(shè)備廠商而言,這是極佳的歷史機(jī)遇。

參考資料:

1.下世代半導(dǎo)體先進(jìn)制造設(shè)備市場(chǎng)與技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) 臺(tái)灣工研院 張?chǎng)╃?/p>

2.工欲善其事必先利其器,國(guó)產(chǎn)替代正當(dāng)時(shí) 德邦證券 馮俊

3.半導(dǎo)體設(shè)備中標(biāo):缺芯背景下,國(guó)產(chǎn)設(shè)備迎來(lái)驗(yàn)證收獲期 德邦證券 倪正洋

4.“難度不亞于兩彈一星”,國(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體設(shè)備業(yè)面臨多項(xiàng)挑戰(zhàn) 第一財(cái)經(jīng) 來(lái)莎莎 邱智麗

5.拯救摩爾定律:一文講解GAA芯片技術(shù) IT之家 汐元

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